研究人员发现了氮化硼的新相和制造纯碳氮化硼的新方法

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杰纳 j_narayan@ncsu.edu 919.515.7874

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗莱纳州立大学的研究人员发现了氮化硼(Q-BN)材料的一个新阶段，它在制造工具和电子显示方面都有潜在的应用。研究人员还开发了一种在环境温度和气压下制造立方氮化硼(c-BN)的新技术，该技术有一系列应用，包括先进电网技术的开发。

“这是我们发现q -碳并将q -碳转化为钻石的续集，”Jay Narayan说，他是NC州立大学材料科学与工程约翰·c·范杰出讲座教授，也是一篇描述这项研究的论文的主要作者。“在动力学和时间控制的帮助下，我们绕过了氮化硼热力学的限制，创造了这种新的氮化硼相。

纳拉扬说:“我们还开发了一种更快、更便宜的方法来制造碳氮化硼，使这种材料更适用于大功率电子器件、晶体管和固态器件等应用。”“利用我们的技术制造的C-BN纳米针和微针，也有在生物医学设备上应用的潜力。”碳氮化硼是氮化硼的一种形式，具有立方晶体结构，类似于金刚石。

早期的测试表明，Q-BN比钻石更硬，在制造切削工具方面，它比钻石更有优势。像所有的碳一样，钻石也会与铁和铁材料发生反应。Q-BN没有。Q-BN具有非晶结构，可以很容易地用于涂层切削工具，防止它们与铁材料反应。

Narayan说:“我们还为下一代高速加工和深海钻井应用开发了金刚石/碳氮化硼晶体复合材料。”“具体来说，我们已经在c-BN上使用脉冲激光沉积的碳在500摄氏度不存在氢的情况下生长了金刚石，创造了c-BN和金刚石外延复合材料。”

Q-BN还具有低功函数和负电子亲和能力，这意味着当暴露在非常低的电场水平时，它在黑暗中发光。这些特性使它成为一种很有前途的节能显示技术材料。

为了制造Q-BN，研究人员首先从一层热力学稳定的六方氮化硼(h-BN)开始，其厚度可达500-1000纳米。材料被放置在衬底上，然后研究人员使用高功率激光脉冲将h-BN快速加热到2800开尔文(4580华氏度)。然后，材料被淬火，使用快速吸收热量的衬底。整个过程大约需要五分之一微秒，并且是在环境气压下完成的。

通过控制材料下面的播种基质和冷却材料所需的时间，研究人员可以控制h-BN转化为Q-BN或c-BN。这些相同的变量可以用来确定碳氮化硼是形成微针、纳米针、纳米点、微晶体还是薄膜。

纳拉扬说:“使用这种技术，我们能够在一秒钟内制作出100到200平方英寸的Q-BN或c-BN胶卷。”

相比之下，以前制造碳氮化硼的技术需要将六方氮化硼加热到3500开尔文(5840华氏度)，并施加95000个大气压。

碳氮化硼具有与金刚石相似的性能，但与金刚石相比有几个优点:碳氮化硼具有较高的禁带宽度，在大功率器件中具有很好的应用前景;碳氮化硼可以被“掺杂”，使其具有正电荷和负电荷层，这意味着它可以用来制造晶体管;当它暴露在氧气中时，它会在表面形成一个稳定的氧化层，使其在高温下保持稳定。这最后一个特性意味着它可以用于制造固态设备和用于氧气环境下高速加工工具的保护涂层。

纳拉扬说:“我们乐观地认为，我们的发现将被用于开发基于c- bn的晶体管和高功率设备，以取代笨重的变压器，并帮助创建下一代电网。”

纸”,在环境温度和压力下，在空气中直接将h-BN转化为纯c-BN，发表在2月3日在线的开放获取期刊上APL材料．这篇论文的合著者是北卡罗莱纳州的博士生阿纳·巴乌米克。这项工作由美国国家科学基金会DMR-1304607资助。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

环境温度和压力下空气中h-BN直接转化为纯c-BN

作者: Jagdish Narayan和Anagh Bhaumik，北卡罗琳州立大学

发表: 2月3日,APL材料

DOI: 10.1063/1.4941095

文摘:我们报道了用纳秒激光熔化法将六方氮化硼(h-BN)直接转化为纯立方氮化硼(c-BN)。从相图可以看出，h-BN向c-BN的转变只有在高温高压下才能发生，hBN-cBN-Liquid的三相点为3500k /9.5 GPa。利用纳秒激光熔化，我们创造了超过冷状态，并将这个三相点移至2800 K和大气压。超过冷态快速淬火形成超过冷氮化硼(Q-BN)。c-BN相由Q-BN成核，这取决于成核和生长的时间。